小行星着陆阶段的视觉导航

发布时间：2020-03-23 00:33

【摘要】：小行星探测作为深空探测领域的一个重要分支,有着重大的科学意义。通过对小行星的探测,可以了解到太阳系的起源、寻找到可以为人类所用的资源、以及找到防止小行星撞击地球的方法。在小行星探测任务中,提高探测器导航系统的精度,可以避免探测器着陆时遇见障碍以及引导探测器精确着陆。在探测器下降及着陆小行星阶段,传统的视觉导航方法采集到的行星表面图像与探测器自身携带的二维导航地图之间在尺度、视角、光照方向等方面有着巨大的差异,这将给特征提取与匹配造成困难,进而影响到导航精度。以探测器下降及着陆小行星Eros433为背景,本文提出了一种新的视觉导航方法,根据探测器绕飞阶段采集到的信息建立目标行星的三维模型,并根据预测的探测器的位置、姿态等信息实时生成导航地图,这种方式生成的导航地图与通过导航相机拍摄得到的目标行星表面图像之间差异较小,特征变化不大,从而降低了特征提取与匹配的困难。针对本文提出的导航方法,根据目标行星的三维模型及预测的探测器位姿信息生成了导航地图,并用将探测器的位姿及光照方向等信息稍加误差生成的图像模拟导航相机拍摄得到的真实图像,对导航地图与真实图像进行特征点提取与匹配以及去除误匹配的处理之后,特征点的正确匹配率达到了98.74%。将正确匹配的特征点在导航地图中的像素坐标作为观测量传递给导航滤波器,由于本文建立的探测器下降及着陆小行星阶段的系统状态方程为非线性的原因,本文使用扩展卡尔曼滤波器进行导航滤波,最后估计出较为准确的探测器的导航参数信息。
【图文】：

哈尔滨工业大学工程硕士学位论文）将在两幅图像中提取到的特征点进行匹配，在特征匹配的过程中，较多误匹配对以及匹配率较低的情况，这种情况也是传统的视觉导航在。）从匹配成功的特征点对中选出一定数量的特征点，再返回探测器存查找就能确定所选取特征点的位置信息。）在完成以上步骤之后，将查找得到的特征点位置信息、图像匹配后信息以及探测器下降阶段所建立的动力学模型输入导航滤波器，进而的探测器位姿信息。

基于以上思路，本文根据目标天体三维模型进行视觉导航的导航方法流程如下，具体实现框图如下图 2-2 所示。（1）根据绕飞阶段所建立的目标天体三维模型，结合预测的探测器的位置态信息，利用目标天体表面光照模型以及光线方向等信息实时生成二维导航图像。（2）在导航相机对目标天体拍摄所得到的真实图像中进行特征点提取，并特征描述，同时采用同样的算法对实时生成的导航参考图像进行特征点提取。（3）对从真实图像与导航参考图像中提取到的特征点利用特征描述符进行匹配。在真实图像与导航参考图像差异不大的情况下，特征点正确匹配率较高匹配率较低，甚至可以说基本消除了误匹配。（4）得到匹配成功的图像特征点在对应三维模型下的位置坐标，以及得到点在像平面下的像素坐标。（5）将所获得的信息以及探测器下降阶段建立的导航动力学模型输入导航器，通过不断的滤波，进而得到探测器更加准的位置信息与姿态信息，，完成器的视觉导航工作。
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：V476.4;V448.2

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本文编号：2595871